默里·蓋爾曼 - 簡介

從神童到諾貝爾物理獎得主

人們說他有“五個大腦”，遺傳運(yùn)算法則創(chuàng)始人約翰·荷蘭（麥克阿瑟天才獎獲得者）稱他是“真正的天才”，1

977年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者菲利普·安德森曾評價他“現(xiàn)存的在廣泛的領(lǐng)域里擁有最深刻學(xué)問的人”，1979年諾貝爾物理獎獲得者斯蒂文·溫伯格說他“從考古到仙人掌再到非洲約魯巴人的傳說再到發(fā)酵學(xué)，他懂得都比你多”。

默里·蓋爾曼1929年生于紐約的一個猶太家庭，父親曾就讀于維也納大學(xué)和海德堡大學(xué)，移民美國后管理著一個語言學(xué)校，“他是來自解體前的奧匈帝國的移民，但說著無可挑剔的英語，并在語言上也這樣苛求我”，蓋爾曼后來回憶到。就在他出生前幾周，美國大蕭條時期降臨，所以童年時他的家庭一直很拮據(jù)。童年的蓋爾曼興趣十分廣泛，很早就成為街區(qū)里有名的神童——他的同學(xué)認(rèn)為他是“會走路的大百科全書”。到14歲時，他考慮申請到耶魯大學(xué)，父親問他想學(xué)什么，“我回答說‘只要跟考古或語言學(xué)相關(guān)就好，要不然就是自然史或勘探’，父親的第一反應(yīng)是‘你會餓死的’”。時值1944年，戰(zhàn)爭時期的美國經(jīng)濟(jì)狀況并不理想，他的父親強(qiáng)烈建議他學(xué)“工程”，然而諷刺的是，在

經(jīng)過能力測試后蓋爾曼被認(rèn)為適合學(xué)習(xí)“除了‘工程’以外的一切學(xué)科”。于是他父親建議：“我們干嗎不折中一下，學(xué)物理呢？”正是這個“意外事件”造就了后來的夸克理論提出者、1969年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者和“統(tǒng)治基本粒子領(lǐng)域20年的皇帝”（格拉肖語）。

從耶魯大學(xué)畢業(yè)后，不到22歲的蓋爾曼在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，隨后被“原子彈之父”奧本海默帶到愛因斯坦時代的普林斯頓高等研究所做博士后，期間曾在費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)的芝加哥大學(xué)物理系授課并被提升為副教授。1955年蓋爾曼在博士后研究結(jié)束后由于“奇異數(shù)”的發(fā)現(xiàn)曾有機(jī)會去芝加哥大學(xué)任教，“可惜費(fèi)米前一年死了”，也曾想去丹麥的波爾研究所，“可惜他們沒有博士后制度而只讓我做教師或?qū)W生”，所以最好的選擇是去加州理工學(xué)院，“那里有費(fèi)曼”。就這樣，蓋爾曼不到26歲就成為加州理工學(xué)院最年輕的終身教授。

從蓋爾曼的奇異數(shù)發(fā)現(xiàn)到獲得諾貝爾物理學(xué)獎，他的歷程可以用漸入佳境來形容：24歲發(fā)現(xiàn)了基本粒子的一個新量子數(shù)——奇異數(shù)，28歲建立了正確描述弱相互作用的V-A理論，32歲提出了強(qiáng)子分類的八正法(相當(dāng)于介子和重子的門捷列夫周期表)，35歲創(chuàng)立了夸克模型(quark)，40歲榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。這些重大理論突破中的每一項也曾由別人獨立地提出過，但只有蓋爾曼一人對所有發(fā)現(xiàn)都有原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。其中夸克模型（預(yù)言中子、質(zhì)子這類亞原子粒子是由更基本的單元——夸克組成的�！翱淇恕笔菢�(gòu)成宇宙中幾乎一切物質(zhì)的亞微粒子）是與G.茨威格各自獨立提出的。“夸克”這一名字是蓋爾曼所取，來自他少年時讀過的詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的蘇醒》(Finnegan’sWake)中的詩句。

默里·蓋爾曼 - 詳細(xì)

縱觀粒子物理學(xué)的百年發(fā)展史，可謂群星璀璨，英才輩出。默里·蓋爾曼就是其中極富傳奇色彩的人物之一，曾

經(jīng)主宰粒子物理的走向長達(dá)十余年。這位天才的理論家，他24歲發(fā)現(xiàn)了基本粒子的一個新量子數(shù)——奇異數(shù)，32歲提出了強(qiáng)子分類的八正法(相當(dāng)于介子和重子的門捷列夫周期表)，35歲創(chuàng)立了夸克模型，4O歲榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。蓋爾曼深邃的洞察力與旺盛的創(chuàng)造力使同時代的許多物理學(xué)家黯然失色。他對基本粒子物理學(xué)的重要貢獻(xiàn)極大地加深了人類對微觀世界的了解。

蓋爾曼作為一位理論物理學(xué)家第一次單獨開展研究的是：怎樣解釋不按物理學(xué)家預(yù)料的方式運(yùn)動的某些怪異的宇宙射線。50年代前，質(zhì)量處于質(zhì)子和電子間的介子不斷被發(fā)現(xiàn)，再后來又發(fā)現(xiàn)了超子。這些奇異粒子的奇異性表現(xiàn)在：產(chǎn)生的快，消失得慢，有些介子的壽命比當(dāng)時得到公認(rèn)的理論所預(yù)言要長得多；并且成對出現(xiàn)。蓋爾曼下功夫理出頭緒來，他把奇異粒子按電荷、同位旋進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)通常費(fèi)米子的同位旋為1/2，如核子具有二重態(tài)：中子和質(zhì)子。而同為費(fèi)米子的超子Σ的同位旋是1，呈現(xiàn)三重態(tài)，而不是雙重態(tài)，并且可帶正電、負(fù)電，或者不帶電。這樣的同位旋值對費(fèi)米子而言是奇異的，這正是問題的關(guān)鍵所在。同樣對第二種奇異粒子，即中等質(zhì)量的K介子，是兀介子的同類粒子。但是K介子也不像其他的正常的玻色子一樣呈三重態(tài)，而是雙重態(tài)，同位旋是1/2。因此，蓋爾曼認(rèn)為應(yīng)再給予粒子一個新量子數(shù)稱之為奇異數(shù)。不同的粒子具有不同的奇異數(shù)，例如，0，土1，土2，??。他還提出奇異數(shù)守恒定律，這個定律是說在描述強(qiáng)相互作用或電磁相互作用時，方程兩側(cè)總的奇異數(shù)必須守恒。奇異數(shù)守恒定律為后來1955年蓋爾曼提出的協(xié)同產(chǎn)生理論提供了重要的理論基礎(chǔ)。所謂的協(xié)同產(chǎn)生理論認(rèn)為，由強(qiáng)力產(chǎn)生的奇異粒子只能同時成對地產(chǎn)生。當(dāng)這些成對的粒子離開它的對手時，通過強(qiáng)相互作用衰變所需的能量就會超過原先產(chǎn)生它們所投入的能量，因此只好經(jīng)弱相互作用衰變，從而獲得了更長的壽命，于是這一模型理論對長壽命作出了解釋。奇異數(shù)在弱相互作用衰變時不守恒。

1961年蓋爾曼在奇異數(shù)守恒定律的基礎(chǔ)上，又提出了SU(3)對稱性。對強(qiáng)相互作用的粒子進(jìn)一步作出分類。效仿佛教的“八正道”(即正見、正思維、正語、正業(yè)、正命、正精進(jìn)、正念、正定)，1962年蓋爾曼和以色列物理學(xué)家內(nèi)曼(Y．Neemann)獨立地提出了“八正法”的分類方法。他們假設(shè)，八個質(zhì)量最小的重子)；兩個核子、三個Σ超子，兩個E超子及一個∧超子，構(gòu)成一個“超多重態(tài)”。這八個重子，自旋都是1／2，宇稱均為正值，質(zhì)量相近。只是電荷不同、同位旋不同、奇異數(shù)不同。因此可以畫一個超荷Y和同位旋分量I3的坐標(biāo)圖，二重態(tài)、三重態(tài)和單態(tài)可以排成一個整齊的六邊形列陣。(如圖1)

蓋爾曼打算用八正方法把所有新的粒子和新的量子數(shù)都綜合進(jìn)來。按照這一方法，還可以把當(dāng)時已知的九個重子共振態(tài)排列成對稱的圖形。從這張圖形的對稱性考慮，似乎缺少了一個粒子，這個粒子的特性可以從圖形的對稱性推出。1962年蓋爾曼在歐洲核予研究中心的會議上提出這個失蹤的粒子應(yīng)該具有電荷為一1，奇異數(shù)為一3，質(zhì)量為1680兆電子伏，自旋為3／2，字稱為正值。1964年果然發(fā)現(xiàn)了Ω粒子正是這個失蹤的粒子。(如圖2)，這樣就對蓋爾曼的八正方法作出了有力的支持。

1964年蓋爾曼進(jìn)一步提出了強(qiáng)子的夸克模型。SU(3)對稱性的八重態(tài)似乎暗示由更基礎(chǔ)的三重態(tài)構(gòu)成。他認(rèn)為質(zhì)子之類的粒子是由更基本的夸克組成�？淇伺c所有已知的亞原子粒子不同，它們帶有分?jǐn)?shù)電荷，例如：+2／3或一1／3。夸克都是兩兩成對、或三三成群，永遠(yuǎn)不可能單獨地被觀測到。它們之間的結(jié)合是靠交換膠子。這就是著名的夸克模型。膠子就相當(dāng)于夸克間相互作用的量子。它們的作用和電磁相互作用中的光量子一樣。蓋爾曼提出有三種夸克：兩種同位旋為1／2，另一種同位旋為0。在同位旋為1／2的兩種中，同位旋向上的，稱為上夸克；同位旋向下的，稱為下夸克；同位旋為零的則稱為奇異夸克。奇異夸克帶有奇異數(shù)�？淇死碚摵髞硪�?qū)嶒炇聦嵉难a(bǔ)充而不斷發(fā)展。1974年丁肇中和墾克特(BRichter)發(fā)現(xiàn)J／ψ粒子。原有的夸克理論已無法解釋新的實驗事實，因此有人引入了第四種夸克——粲夸克。粲夸克帶有新的量子數(shù)——粲數(shù)。1977年發(fā)現(xiàn)了重輕子，1978年又發(fā)現(xiàn)了γ粒子，促使人們相信還存在第五種夸克和第六種夸克。第五種夸克稱為底夸克。第六種夸克稱為頂夸克。每種夸克都有紅、綠、藍(lán)三味。

蓋爾曼一直是粒子物理學(xué)的開路先鋒。1969年他獲得諾貝爾物理學(xué)獎，他在諾貝爾獎頒獎慶典上致詞說：“對于我，研究那些法則是與對表現(xiàn)千差萬別的自然界的熱愛不可分的。自然科學(xué)基本法則的美，正如粒子和宇宙的研究所揭示的，在我看來，是與跳到純凈的瑞典湖泊中的野鴨的柔軟性相關(guān)的……”正是出于對大自然的這種熱愛引領(lǐng)他去發(fā)現(xiàn)微觀世界的秩序。研究世界的復(fù)雜性。

在獲得諾貝爾獎約15年后。他掉轉(zhuǎn)了方向，發(fā)起創(chuàng)建了圣菲研究所，成了世界研究復(fù)雜性理論的中心之一。蓋爾

曼因自己對簡單世界的洞察力而聞名，八正法完美的規(guī)律性產(chǎn)生了所有不同質(zhì)量的粒子，粒子又進(jìn)而形成原子核、原子和分子。正是由這些完美的物質(zhì)基元——夸克和輕子，構(gòu)成了高度復(fù)雜而個性獨立的世界。美籍華裔作家施加彰(ArthurSze)送他一本新出版的詩集中有兩句詩打動了默里：“夸克世界中，萬事都與一只在夜間徘徊的美洲豹有關(guān)�！痹娋渌坪跬晟频乇磉_(dá)了簡單性如何導(dǎo)致復(fù)雜性的奧秘，以及精確的物理定律如何產(chǎn)生有意識的生物。蓋爾曼給他一本揭示復(fù)雜性的新書起名《夸克與美洲豹》，1994年出版后大受歡迎。

蓋爾曼在撰文說明宇宙線粒子行為似乎違反了物理學(xué)定律時，援引了弗蘭西斯·培根的名言：“沒有任何極致之美，在其結(jié)構(gòu)中不會呈現(xiàn)任何奇異性”。美國作家喬治·約翰遜為蓋爾曼寫的科學(xué)傳記的主標(biāo)題是StrangeBeauty，中譯者譯為《奇異之美》，當(dāng)然十分貼切。蓋爾曼人生也是充滿奇異性。他給其理論起了一些古怪的名字，如“奇異數(shù)”、“八正法”、“夸克”、“小牛肉和野雞”等。信手拈來，皆有典故，且妙趣橫生他的性格可謂古怪奇異，特立獨行，甚至近乎瘋狂。他總是與費(fèi)曼一爭高低(費(fèi)曼獲得過1965年諾貝爾獎)，競爭加州理工學(xué)院物理系“最聰明的人”。他作客日本講學(xué)，不顧客人的禮貌，毫不客氣地諷刺日本同事“教條主義態(tài)度”“完全不可理喻”。他興趣廣泛，博學(xué)多才，能講六七種語言；對鳥類分類學(xué)的知識讓專家自愧弗如。他到處奔走，極力宣傳保護(hù)野生動物，保護(hù)生態(tài)，保護(hù)自然和文化的多樣性，保護(hù)環(huán)境，防止盲目發(fā)展。

夸克之父——默里·蓋爾曼，是粒子物理學(xué)中的奇異之星。他的科學(xué)人生讓我們感受到基本粒子世界呈現(xiàn)出的一種出乎意料之外的“奇異之美”，以及發(fā)現(xiàn)這種奇異之美的激動人心的過程。

默里·蓋爾曼 - 貢獻(xiàn)

20世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單

元——夸克(quark)組成的，很多中國物理學(xué)家稱其為“層子”。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2.夸克一詞是蓋爾曼取自J·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克”．夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲．他認(rèn)為，這適合他最初認(rèn)為“基本粒子不基本、基本電荷非整數(shù)”的奇特想法，同時他也指出這只是一個笑話，這是對矯飾的科學(xué)語言的反抗．另外，也可能是他喜歡鳥類的原因．

最初解釋強(qiáng)相互作用粒子的理論需要三種夸克，叫做夸克的三種味，它們分別是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇異夸克(strange,s)。1974年發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年發(fā)現(xiàn)了Υ粒子，要求引入第五種夸克底夸克(bottom,b)。1994年發(fā)現(xiàn)第六種夸克頂夸克(top,t)，人們相信這是最后一種夸克。

夸克理論認(rèn)為，所有的重子都是由三個夸克組成的，反重子則是由三個相應(yīng)的反夸克組成的。比如質(zhì)子(uud)，中子(udd)。夸克理論還預(yù)言了存在一種由三個奇異夸克組成的粒子(sss)，這種粒子于1964年在氫氣泡室中觀測到，叫做負(fù)ω粒子。

夸克按其特性分為三代，如下表所示：

符號 中文名稱 英文名稱 電荷(e) 質(zhì)量(GeV/c^2)

u 上夸克 up +2/3 0.004

d 下夸克 down -1/3 0.008

c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5

s 奇夸克 strange -1/3 0.15

t 頂夸克 top +2/3 176

b 底夸克 bottom -1/3 4.7

在量子色動力學(xué)中，夸克除了具有“味”的特性外，還具有三種“色”的特性，分別是紅、綠和藍(lán)。這里“色”并非指夸克真的具有顏色，而是借“色”這一詞形象地比喻夸克本身的一種物理屬性。量子色動力學(xué)認(rèn)為，一般物質(zhì)是沒有“色”的，組成重子的三種夸克的“顏色”分別為紅、綠和藍(lán)，因此疊加在一起就成了無色的。因此計入6種味和3種色的屬性，共有18種夸克，另有它們對應(yīng)的18種反夸克。

夸克理論還認(rèn)為，介子是由同色的一個夸克和一個反夸克組成的束縛態(tài)。例如，日本物理學(xué)家湯川秀樹預(yù)言的[[π+介子]]是由一個上夸克和一個反下夸克組成的，π-介子則是由一個反上夸克和一個下夸克組成的，它們都是無色的。

除頂夸克外的五種夸克已經(jīng)通過實驗發(fā)現(xiàn)它們的存在，華裔科學(xué)家丁肇中便因發(fā)現(xiàn)粲夸克而獲諾貝爾物理學(xué)獎。近十年來高能粒子物理學(xué)家的主攻方向之一是頂夸克 (t)。

至于1994年最新發(fā)現(xiàn)的第六種“頂夸克”，相信是最后一種，它的發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家得出有關(guān)夸克子的完整圖像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之內(nèi)宇宙如何演化，因為大爆炸最初產(chǎn)生的高熱，會產(chǎn)生頂夸粒子。

研究顯示，有些恒星在演化末期可能會變成“夸克星”。當(dāng)星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時，密度大增會把夸克擠出來，最終一個太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會發(fā)光。

夸克理論認(rèn)為，夸克都是被囚禁在粒子內(nèi)部的，不存在單獨的夸克。一些人據(jù)此提出反對意見，認(rèn)為夸克不是真實存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預(yù)言都與實驗測量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。

1997年，俄國物理學(xué)家戴阿科諾夫等人預(yù)測，存在一種由五個夸克組成的粒子，質(zhì)量比氫原子大50％。2001年，日本物理學(xué)家在SP環(huán)－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑料時，發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子存在的證據(jù)。隨后得到了美國托馬斯·杰裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學(xué)家們的證實。這種五夸克粒子是由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成的，它并不違背粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是第一次發(fā)現(xiàn)多于3個夸克組成的粒子。研究人員認(rèn)為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中第一個被發(fā)現(xiàn)的成員，還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。

修正一下:有人說什么發(fā)現(xiàn)某某夸克,完全是不懂科學(xué)亂杜撰,現(xiàn)在人類只是大膽假設(shè),科學(xué)求證,夸克是為了解釋一

些目前人類無法解釋的現(xiàn)象而提出的可能存在的假設(shè),但人類一直沒找到夸克存在的直接證據(jù).

1996年12月2日，《科技日報》發(fā)表了崔君達(dá)教授反駁何祚麻院士的文章《復(fù)合時空論并非病態(tài)科學(xué)》。崔在文中進(jìn)一步指出："物理學(xué)界并非全都公認(rèn)夸克的存在。不同意見早在70年代就有了。我國物理學(xué)家朱洪元，諾貝爾獎得主、量子力學(xué)奠基人海德堡都認(rèn)為：全世界許許多多物理學(xué)家花了那么大的力量尋找夸克，如果夸克真的存在，早就應(yīng)該找到了。"

這位科學(xué)家如此否認(rèn)夸克當(dāng)然也不對,像那句"如果夸克真的存在，早就應(yīng)該找到了。"顯然是謬論,就等于說"如果癌癥真的存在,早就應(yīng)該治好了一樣"

總之科學(xué)來不得半點虛假與情緒化,夸克不能直接證明它存在,也不能證明(哪怕間接)它不存在,它目前只是種假設(shè).

默里·蓋爾曼 - 與圣塔菲研究所

SFI被稱作是“沒有圍墻的研究所”，位于美國新墨西哥圣塔菲城，1984年在蓋爾曼的倡議下與諾貝爾物理學(xué)獎得主安德遜(PhilipAnderson)和諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎獲得者阿羅（KennethArrow)等人的支持下創(chuàng)立，該所把復(fù)雜性作為研究的中心議題，旨在世界范圍內(nèi)傳播對復(fù)雜理論的多學(xué)科研究。2005年暑假SFI曾與中國科學(xué)院理論物理研究所、數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院以及中國科學(xué)院研究生院成功的合作在京舉辦了“2005年復(fù)雜系統(tǒng)暑期學(xué)�！�，吸引了不少來自世界各地對此方向感興趣的一流學(xué)員。